Android10_原理机制系列_Android消息机制(Handler)详述
概述
在Android中的多进程、多线程中提过，只有主线程(UI线程)可以更新UI，其他线程不可以，所以一般耗时操作放到子线程。子线程可以通过Handler将相关信息通知到主线程。
Android的消息机制主要是Handler机制。Handler的工作过程，还有两个重要部分MessageQueue(消息队列，下面简称MQ)和Looper。
由于下面总结中穿插了不少源码 便于理解，导致篇幅比较长(加代码有600多行)。所以先大致总结并给出大致目录，提前了解是否是需要的内容。
大致总结
消息机制的大致流程
- 线程创建Looper(调用Looper.preper())，然后运行Looper.looper()开启循环。Looper是和线程绑定的，一个线程只能有一个Looper ，一个Looper内部维护一个MQ。
- Handler调用sendMessage()方法发送消息，将消息加入到MQ中(enqueueMessage())。
- Looper死循环，通过MessageQueue.next()取出符合的消息。
- 取出消息后，通过msg.target.dispatchMessage()分发消息。
- Handler对接受到的消息进行具体处理，调用dispatchMessage()。
- 调用Looper的quit()方法终止，即消息队列退出、looper循环退出。
注意点
- 创建Handler的线程中一定先有Looper对象， 才能创建Handler，否则会抛异常。下面详解中通过代码就能看出来。
- 一个线程只能有一个Looper。但可以创建多个Handler
- MQ是Looper内存维护的。
- 主线程在应用启动后默认创建Looper 且不能退出。
跨线程大致理解
Handler能做到跨线程，主要是Looper及内部的消息队列。最常见的：程序启动主线程创建Looper并绑定了消息队列，在主线程创建Handler，这个Handler与Looper绑定的。在其他线程(任何地方)通过这个Handler发送消息，消息都加入到了主线程Looper内部的消息队列(消息发送到的MQ是 创建Handler时绑定的Looper内部MQ)，当消息被Looper循环取出，自然就回到了主线程
大致目录
1 Looper、Handler与MQ
1.1 Looper
1.1.1 Looper的创建：prepare()
1.1.2 Looper循环：loop()
1.2 Handler
1.2.1 Handler的创建
1.2.2 Handler发送消息
1.2.3 Handler分派处理：dispatchMessage
1.3 MessageQueue
1.3.1 入队：enqueueMessage()
1.3.2 next()方法
1.3.3 退出：quit()
2 其他注意点
2.1 Handler一般使用
2.2 消息池
2.3 子线程到主线程的方法
2.4 主线程的Looper
2.5 ANR问题
Looper、Handler与MQ
Looper
Looper是循环器，为一个线程运行消息循环，不断检查消息队列中是否有新的消息。
Looper.prepare()为当前线程创建一个looper，并在其内部维护一个MQ。
Looper.loop()即looper开始工作，运行消息循环。
下面是Looper部分的几处源码，有助于理解。
Looper的创建：prepare()
// sThreadLocal.get() will return null unless you've called prepare().
@UnsupportedAppUsage
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
@UnsupportedAppUsage
final MessageQueue mQueue;
final Thread mThread;
public static void prepare() {
prepare(true);
}
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
Looper通过prepare()方法创建，主要有以下几点：
- 默认创建Looper时，设置参数的为true，即消息队列是能够退出的。MQ的退出也提供了安全退出和非安全退出两种方法(在下面MQ部分中详述)。
- 一个线程只能创建一个Looper,否则会抛出RuntimeException。
- Looper对象保存在ThreadLocal中的。ThreadLocal是一个线程内部的数据存储类，每个线程都有自己独立访问的变量副本。 libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/ThreadLocal.java下有相关源码。
- Looper创建，即创建了一个内部消息队列mQueue，并绑定了当前线程。
- 主线程(UI线程)创建的Looper是不可退出的，应用启动后默认创建好了的。(下面有单独讲解)
Looper循环：loop()
Message.java
@UnsupportedAppUsage
/*package*/ Handler target;
@UnsupportedAppUsage
/*package*/ Runnable callback;
Looper.java
public static void loop() {
......
for (;;) {
//不断取出下一条消息，mgs为null即消息队列退出，若没有消息且没有退出 消息队列一直阻塞的
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
......
try {
//分派消息，通过Handler处理
msg.target.dispatchMessage(msg);
if (observer != null) {
observer.messageDispatched(token, msg);
}
dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
} catch (Exception exception) {
......
msg.recycleUnchecked();
}
}
public static @Nullable
Looper myLooper() {
return sThreadLocal.get();
}
由于代码比较长，截取了关键代码，......表示该处有省略的代码。
loop()是消息循环运行的关键，整体把握这里关注两行代码：Message msg = queue.next(); 和 msg.target.dispatchMessage(msg);。这两个分别在MQ部分和Handler部分有详述。
- for(;;)死循环，这是关键，真正的消息循环。跳出的唯一条件是queue.next()为null，但实际只有Looper执行quit()才能达成这一条件(next()方法MQ中详述)。
- next()不断取出下一条消息，mgs为null即消息队列退出，循环停止。若没有消息且没有退出 消息队列一直阻塞的
- 当next()返回一条消息，Looper调用msg.target.dispatchMessage(msg)进行分派处理。这里的msg.target就是一个Handler，即调用了Handler的dispatchMessage()方法(Handler中详述)。
Handler
Handler主要包含消息的发送和接收处理。
Handler的创建
@UnsupportedAppUsage
final Looper mLooper;
final MessageQueue mQueue;
@UnsupportedAppUsage
final Callback mCallback;
final boolean mAsynchronous;
/**
* @hide
*/
public Handler(@Nullable Callback callback, boolean async) {
if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {
final Class<? extends Handler> klass = getClass();
if ((klass.isAnonymousClass() || klass.isMemberClass() || klass.isLocalClass()) &&
(klass.getModifiers() & Modifier.STATIC) == 0) {
Log.w(TAG, "The following Handler class should be static or leaks might occur: " +
klass.getCanonicalName());
}
}
mLooper = Looper.myLooper();
if (mLooper == null) {
throw new RuntimeException(
"Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
+ " that has not called Looper.prepare()");
}
mQueue = mLooper.mQueue;
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}
注意几点：
- Handler有好几种构造方法，一种是指定了Looper，另一种没指定。所有构造方法都基本确定4个值：Hanlder关联的Looper;关联的MQ;关联的Callback;是否异步。
- 上述是没指定Looper最终的方法。从中可以看到，没有Looper就无法创建Handler。
Handler发送消息
public final boolean post(@NonNull Runnable r) {
return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}
private static Message getPostMessage(Runnable r) {
Message m = Message.obtain();
m.callback = r;
return m;
}
public final boolean sendMessageDelayed(@NonNull Message msg, long delayMillis) {
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}
public boolean sendMessageAtTime(@NonNull Message msg, long uptimeMillis) {
MessageQueue queue = mQueue;
if (queue == null) {
RuntimeException e = new RuntimeException(
this + " sendMessageAtTime() called with no mQueue");
Log.w("Looper", e.getMessage(), e);
return false;
}
return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);
}
private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
long uptimeMillis) {
msg.target = this;
msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
- Handler通过post()、postDelayed()、sendMessage()、sendMessageDelayed()等方法发送消息，最终都是走到了上面的sendMessageAtTime()中。
- Handler各种发送方式，最终到sendMessageAtTime()。这个过程，参数uptimeMillis 即 消息发处的绝对时间也就是when。
- post()等发送方法传入的参数Runnable即消息的callback(msg.callback)，在dispatchMessage中可以看到。
- 发送消息，Handler仅是将消息加入消息队列中(enqueueMessage()在MQ中详述)，这个消息队列就是Handler在创建时绑定的Looper的内部消息队列。
这里都是使用SystemClock.uptimeMillis()，简单说明下SystemClock.uptimeMillis()与System.currentTimeMillis()区别：
System.currentTimeMillis()是1970年1月1日(UTC)到现在的毫秒值。
SystemClock.uptimeMillis()是设备启动到现在的时间的毫秒值。(不包括深度睡眠)
SystemClock.elapsedRealtime()是设备启动到现在时间的毫秒值。(包括深度睡眠)
为什么基本都用SystemClock.uptimeMillis()作为时间间隔的获取方法呢？
System.currentTimeMillis()通过设置设备的时间是可以改变的，这样设置后 那些计划的执行明显会发生异常。
Handler分派处理：dispatchMessage
@UnsupportedAppUsage
/*package*/ Handler target;
@UnsupportedAppUsage
/*package*/ Runnable callback;
public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
public interface Callback {
/**
* @param msg A {@link android.os.Message Message} object
* @return True if no further handling is desired
*/
boolean handleMessage(@NonNull Message msg);
}
/**
* Subclasses must implement this to receive messages.
*/
public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
}
Looper循环通过queue.next()获取到一条消息，再通过Handler的dispatchMessage()分派处理。
- 若msg.callback不为空，即上述所说(Handler发送消息 部分)的是否传入了Runnable参数，有则执行Runnable。(Handler发送消息时传入)
- 如果msg.callback为空，在Handler创建时指定了Callback参数，即实现了handleMessage()的类作为参数，则直接执行handleMessage()。(Handler创建时传入)
- 若上面两种回调都不存在，可由handleMessage()处理。(创建的Handler重写该方法)
MessageQueue
消息队列MQ。主要列出Looper和Handler中提到的几个关于MQ的重要过程。
消息队列是单链表实现的，这属于数据结构，了解的话可以参考数据结构之队列(Queue)。
入队：enqueueMessage()
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
//Handler为空
if (msg.target == null) {
throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
}
//消息标记是使用中
if (msg.isInUse()) {
throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
}
//线程安全，同步
synchronized (this) {
//消息队列已退出，被放弃
if (mQuitting) {
IllegalStateException e = new IllegalStateException(
msg.target + " sending message to a Handler on a dead thread");
Log.w(TAG, e.getMessage(), e);
msg.recycle();
return false;
}
//下面开始是正在入队操作
msg.markInUse();//标记使用中
msg.when = when;
Message p = mMessages;//当前消息，也是队首即可以理解为第一个消息
boolean needWake;
//队列是空或者msg比队列中其他消息要先执行，该msg作为队首入队。
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
// New head, wake up the event queue if blocked.
//加入队首。p是指向之前队首的，了解队列链表实现很容易理解
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
// Inserted within the middle of the queue. Usually we don't have to wake
// up the event queue unless there is a barrier at the head of the queue
// and the message is the earliest asynchronous message in the queue.
needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
Message prev;
//for循环，跳出时：p指向null，prev指向队尾最后一个消息，即msg最后执行。
//或者p指向第一个when大于msg的消息，prev则指向前面一个(最后一个when小于msg的消息)
for (;;) {
prev = p;
p = p.next;
if (p == null || when < p.when) {
break;
}
if (needWake && p.isAsynchronous()) {
needWake = false;
}
}
//msg插入到对应的位置
msg.next = p; // invariant: p == prev.next
prev.next = msg;
}
// We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
Handler发送消息，将消息加入了消息队列，即上面的enqueueMessage的方法。
这个方法不难理解，可以看添加的中文注释。
这里主要注意的是消息的处理时间，看入队逻辑 可以看出消息队列是按消息处理时间排队的。
next()方法
@UnsupportedAppUsage
Message next() {
......
for (;;) {
......
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
// Try to retrieve the next message. Return if found.
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
Message msg = mMessages;
//同步屏障，若存在异步消息 则获取的是第一个异步消息
if (msg != null && msg.target == null) {
// Stalled by a barrier. Find the next asynchronous message in the queue.
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
//还没有到消息处理时间，设置阻塞时间nextPollTimeoutMillis，进入下次循环的时候会调用nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis)
if (now < msg.when) {
// Next message is not ready. Set a timeout to wake up when it is ready.
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
//获得并返回消息
// Got a message.
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
msg.next = null;
if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
msg.markInUse();
return msg;
}
} else {
//没有消息要处理，nextPollTimeoutMillis设置为-1。
// No more messages.
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
// Process the quit message now that all pending messages have been handled.
//消息队列退出，返回null
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
......
}
......
}
}
这个方法比较复杂，代码比较长。上面只截取了部分关键代码，可以看下添加的中文注释，能够理解。
注意两个地方：
- 消息屏障(同步屏障)。可以通过MessageQueue.postSyncBarrier()设置，即msg.target为null。这里相当于异步优先。
- 仅当mQuitting为true时，即消息队列退出(quit())，next()才返回null。Looper的looper()循环才停止。
最后来看下消息队列的退出
退出：quit()
void quit(boolean safe) {
if (!mQuitAllowed) {
throw new IllegalStateException("Main thread not allowed to quit.");
}
synchronized (this) {
if (mQuitting) {
return;
}
mQuitting = true;
if (safe) {
removeAllFutureMessagesLocked();
} else {
removeAllMessagesLocked();
}
// We can assume mPtr != 0 because mQuitting was previously false.
nativeWake(mPtr);
}
}
private void removeAllFutureMessagesLocked() {
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message p = mMessages;
if (p != null) {
if (p.when > now) {
removeAllMessagesLocked();
} else {
Message n;
for (;;) {
n = p.next;
if (n == null) {
return;
}
if (n.when > now) {
break;
}
p = n;
}
p.next = null;
do {
p = n;
n = p.next;
p.recycleUnchecked();
} while (n != null);
}
}
}
private void removeAllMessagesLocked() {
Message p = mMessages;
while (p != null) {
Message n = p.next;
p.recycleUnchecked();
p = n;
}
mMessages = null;
}
这个也不复杂，简单关注两点：
- quit()有安全退出和非安全退出，两者的差别从上面也能看到。非安全退出removeAllMessagesLocked()，直接退出 清空队列消息；安全退出removeAllFutureMessagesLocked()，消息处理时间在现在now之后的消息会被直接清空，而在now之前的会继续保留 由next()继续获取处理。
- quit()调用后才有mQuitting = true，这样next()才会返回null，最终Looper.looper()循环才会停止。
其他注意点
Handler一般使用
Handler使用，一般是子线程进入主线程更新UI。下面是常见的操作。
主要注意Hanler的创建(多种方式的选择)以及回调的处理，发送消息的方式。
private final String TAG = "HandlerActivity";
private final int MAIN_HANDLER_1 = 1;
private Handler mMainHandler = new Handler() {
@Override
public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
super.handleMessage( msg );
switch (msg.what) {
case MAIN_HANDLER_1:
//Do something. like Update UI
break;
}
}
};;
@Override
protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate( savedInstanceState );
Log.d( TAG, "onCreate: MainHandler Looper=" + mMainHandler.getLooper() );
SubThread subThread = new SubThread();
subThread.start();
}
private class SubThread extends Thread {
@Override
public void run() {
//Do something
Message message = mMainHandler.obtainMessage();
message.what = MAIN_HANDLER_1;
mMainHandler.sendMessage(message);
}
}
消息池
Message内部保存了一个缓存的消息池，我们可以通过Message.obtain()或者mMainHandler.obtainMessage()从缓存池获得一个消息对象。避免每次创建Message带来的资源占用。
Message.obtain()的多种方法以及mMainHandler.obtainMessage()最终都是调用obtain()从消息池中获取一个消息对象。
public static Message obtain() {
synchronized (sPoolSync) {
if (sPool != null) {
Message m = sPool;
sPool = m.next;
m.next = null;
m.flags = 0; // clear in-use flag
sPoolSize--;
return m;
}
}
return new Message();
}
子线程到主线程的方法
Handler的一个重要作用就是子线程进入主线程更新UI。
Android中的多进程、多线程也提到过2种
Activity.runOnUiThread(Runnable)；View.post(Runnable)/View.postDelayed(Runnable, long)。
这2种方法其实就是Handler机制实现的。
Activity.java
public final void runOnUiThread(Runnable action) {
if (Thread.currentThread() != mUiThread) {
mHandler.post(action);
} else {
action.run();
}
}
View.java
public boolean post(Runnable action) {
final AttachInfo attachInfo = mAttachInfo;
if (attachInfo != null) {
return attachInfo.mHandler.post(action);
}
// Postpone the runnable until we know on which thread it needs to run.
// Assume that the runnable will be successfully placed after attach.
getRunQueue().post(action);
return true;
}
private HandlerActionQueue getRunQueue() {
if (mRunQueue == null) {
mRunQueue = new HandlerActionQueue();
}
return mRunQueue;
}
@UnsupportedAppUsage(maxTargetSdk = Build.VERSION_CODES.P)
void dispatchAttachedToWindow(AttachInfo info, int visibility) {
......
// Transfer all pending runnables.
if (mRunQueue != null) {
mRunQueue.executeActions( info.mHandler );
mRunQueue = null;
}
......
}
HandlerActionQueue.java
public void executeActions(Handler handler) {
synchronized (this) {
final HandlerAction[] actions = mActions;
for (int i = 0, count = mCount; i < count; i++) {
final HandlerAction handlerAction = actions[i];
handler.postDelayed(handlerAction.action, handlerAction.delay);
}
mActions = null;
mCount = 0;
}
}
主线程的Looper
ActivityThread中的main()是主线程的入口。
从下面代码中可以看出来，应用启动 主线程默认创建了Looper，它是不可退出的。Looper有单独保存并获取主线程Looper的方法。
主线程Looper创建参数为false(prepare(false))，即looper()的循环是不会停止的，当没有消息时，一直是阻塞的。
Run|Debug
public static void main(String[] args) {
......
Looper.prepareMainLooper();
......
// End of event ActivityThreadMain.
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
/// M: ANR Debug Mechanism
mAnrAppManager.setMessageLogger(Looper.myLooper());
Looper.loop();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
Looper.java
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}
ANR问题
looper()死循环为什么没导致ANR？ANR具体什么造成？ANR和Looper有什么关系？
---这篇已经过长，这些问题在ANR部分总结更好。
善始者实繁，克终者盖寡。
---不足或不对的地方欢迎指正。
